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天文大突破 人類史上第一次觀測到黑洞

中研院天文及天文物理所參與事件視界望遠鏡國際合作計畫,10日全球同步公布史上第一張M87黑洞及黑洞陰影的影像。(中研院天文所提供)
中研院天文及天文物理所參與事件視界望遠鏡國際合作計畫,10日全球同步公布史上第一張M87黑洞及黑洞陰影的影像。(中研院天文所提供)

文/記者徐翠玲
中研院天文及天文物理所參與「事件視界望遠鏡」(Event Horizon Telescope)國際合作計畫,10日與國際研究團隊同步舉行全球記者會,公布史上第一張黑洞及黑洞陰影的影像,首度成功揭露超大質量黑洞及其陰影的直接視覺證據。中研院天文及天文物理所表示,這是人類史上第一次,確定觀測到黑洞及其暗影。

中研院天文所副研究員淺田圭一指出,M87黑洞觀測帶來三大突破,包括真正揭開活躍星系中超大質量黑洞的神祕面紗,提供了在探索極限條件下,重力理論的新工具,以及開拓新的黑洞天文物理研究領域。

淺田圭一表示,研究團隊選擇M87星系中心做觀測。M87是活躍星系,距離地球5,500萬光年,從過去觀測已經知道M87有個超大質量黑洞,其質量大概是30億個太陽質量(太陽質量的65億倍),以過去的科技觀測,看起來是一團模糊,因此,EHT創造地球大小的陣列望遠鏡,以便解析M87星系中央黑洞的細節。

淺田圭一解釋,所有光線都不能逃出黑洞,所以沒辦法直接觀測黑洞,而是以黑洞附近暗影陰暗部位做觀測。當光線靠近黑洞附近,因為黑洞的強大重力,光線會被彎曲,當到一個特定尺度時,光線就會掉到黑洞裡面形成暗影區域,暗影區域是黑洞實際事件的2.5倍大。

史上首度觀測到黑洞影像 

EHT2017年使用8座望遠鏡陣列觀測M87黑洞,其中3座由中研院天文所操作。淺田圭一指出,在觀測結束後一年,經過冗長複雜運算,終於獲得M87黑洞影像,這影像包含兩重要細節,結構看起來像新月狀的環,以及影像中間是黑暗的。量測到的影像大小是42個微角秒,跟用電腦模擬超大質量黑洞的預測相符合。在7天觀測期間,每天都得到一致性影像,研究團隊確定觀測到黑洞及其暗影,且是人類史上第一次。

淺田圭一說,爲了計算M87黑洞影像,共有4個獨立團隊使用3種不同方式計算,4個團隊得到的影像都是一致的,2018年6月結果已呈現在世人面前。中研院天文所小山博士所帶領的成像小組,在2018年會議之後曾看到黑洞影像,但當時資料是機密的,中研院天文所成員是人類中,第一批看到黑洞的人之一。

黑洞會自旋 光環底部亮上部暗  

M87黑洞結構部分,中研院天文所副研究員中村雅德分析指出,太陽系大小約40個AU(天文單位,指太陽到地球的平均距離 ), M87星系中黑洞事件視界大小是太陽大小的3倍,約120個AU。但實際觀測到的暗影與它的發光圓環是事件視界的2.5倍,大約300個AU。

中村雅德表示,從電腦模擬圖,可看到黑洞中間暗影部分被外圍光環、吸積盤與噴流圍繞。當視角改變時,暗影的形狀也會跟著改變。研究團隊嘗試各種不同模型,包括實際觀測圖像、電腦理論模擬圖像、EHT觀測電腦模擬圖象結果,都得到非常近似的影像,代表在黑洞強大重力場之下,影像只有受黑洞的性質影響。

「黑洞有兩重要性質,除了質量,還有自旋。」中村雅德說,不論黑洞附近氣體是如何環繞著黑洞,但最靠近黑洞的氣體一定會跟著黑洞旋轉方向旋轉,從實際觀測影像看到M87黑洞的光環有不對稱的亮度變化,光環底部是亮的(向觀察者接近),上面是暗的(遠離觀察者),顯示圍繞在黑洞附近的氣體,以非常快的速度運動,且黑洞是繞著順時鐘方向旋轉,這次觀測結果強烈支持在M87星系中心有個旋轉的超大質量黑洞。

格陵蘭望遠鏡移山上 解析度高10倍

關於未來計畫,淺田圭一表示,2017年觀測結果確定得到M87黑洞影像,開啟黑洞物理新頁,其中長基線觀測對檢驗廣義相對論比較關鍵,占有重要角色。在圖像中看到非對稱結構,代表南北方向值得探討,過去2年完成格陵蘭望遠鏡的建置,格陵蘭望遠鏡2018年4月正式加入EHT觀測,格陵蘭望遠鏡提供最長的南北向基線及南北方向資訊。2020年格陵蘭望遠鏡會再加入下一次EHT觀測,並且加入其他兩個新的望遠鏡。

淺田圭一說,2020年計畫展開格陵蘭望遠鏡第二期計畫,為了得到更高的解析度,必須使用更短的波長。目前觀測波長是1.3毫米,但未來希望能縮短到0.8甚至0.4毫米,對短波觀測而言,望遠鏡位置非常重要,必須選擇乾又高、又冷的地方,目前格陵蘭望遠鏡座落在海平面位置,未來希望能將格陵蘭望遠鏡移置山上,如此可達到比以往高10倍的解析度。◇